掺氮碳纳米管的制备及其在燃料电池中的应用

摘要

燃料电池作为一种不经过燃烧过程而是以电化学方式直接将燃料的化学能转化为电能的高效发电装置,凭借其启动快、能量密度高、环境友好等优点,在汽车、便携式电源和发电站等领域有广阔的应用前景。开发具有高效载铂的电催化剂载体降低贵金属的使用量和开发非贵金属催化剂成为当前科研工作者努力的两个重要发展方向。本论文采用浮动催化剂化学气相沉积法制备掺氮碳纳米管,将其作为载体负载铂纳米颗粒,所得的催化剂对甲醇的氧化反应展现出较好的电催化活性;同时在掺氮碳纳米管的基础上制备得到非贵金属催化剂对氧还原反应表现出一定的电催化活性。论文主要研究内容如下:
　　(1)以二甲苯为碳源,乙腈为氮源,二茂铁为生长催化剂,石英玻璃片为基底,采用浮动催化剂化学气相沉积法制备掺氮碳纳米管,研究不同氮掺杂浓度对掺氮碳纳米管形貌、热稳定性和和石墨化程度的影响。通过SEM、TEM、Raman、TGA、EDX和XPS表征结果得出,氮掺杂后碳纳米管呈现“竹节状”结构,并且氮的掺入使得碳纳米管的缺陷增多,因此掺氮碳纳米管的热稳定性和石墨化程度低于纯碳纳米管。
　　(2)用盐酸除去掺氮碳纳米管中残余金属并用浓硝酸进行表面功能化处理,采用乙二醇液相还原法制备Pt纳米颗粒,将其负载于掺氮碳纳米管阵列(VA-NCNTs)上,合成Pt/VA-NCNTs催化剂,并利用XRD和TEM表征催化剂的结构和形貌,用循环伏安法和计时电流法研究催化剂的电化学性能。研究结果表明,有序结构的催化剂电极展现出了较高的电化学性能,同时由于氮的掺入使得Pt/VA-NCNTs催化剂中铂的颗粒更小、分散更均匀,因此比Pt/CNTs催化剂具有更高的电化学性能。
　　(3)将酞菁铁(FePc)和NCNTs混合在高温下热处理得到FePc/NCNTs催化剂,通过循环伏安法、旋转圆盘电极和线性扫描伏安法研究FePc/NCNTs和NCNTs对氧还原反应的电催化性能。其结果表明,NCNTs作为非贵金属催化剂具有一定催化氧还原的电催化活性,可作为一种非贵金属催化剂的载体,而通过热处理酞菁铁(FePc)和NCNTs得到的FePc/NCNTs的氧还原性能得到增强,催化氧还原反应为2电子和4电子混合反应,但主要为4电子反应,更接近商业Pt/C催化剂,因此FePc/NCNTs可作为一种非贵金属催化剂从而进一步较低燃料电池成本。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 燃料电池

1.3 掺氮碳纳米管的结构与特性

1.4 掺氮碳纳米管的制备

1.5 掺氮碳纳米管的应用

1.6 论文的研究目的、意义及研究内容

参考文献

第二章实验材料和表征方法

2.1 实验试剂

2.2 实验仪器及设备

2.3 实验的测试和表征方法

第三章掺氮碳纳米管的制备及表征

3.1 引言

3.2 掺氮碳纳米管的生长机理

3.3 实验部分

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章掺氮碳纳米管载铂催化剂的甲醇氧化性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第五章掺氮基非贵金属催化剂的氧还原性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第六章结论与工作展望

6.1 结论

6.2 论文创新之处

6.3 工作展望

硕士期间的研究成果

致谢